устройство для создания осевой нагрузки на долото

Формула изобретения

1. Устройство для создания осевой нагрузки на долото, включающее полый шпиндель с поршнями на его наружной поверхности и каналами в стенке, снабженный в верхней части средствами для соединения его с бурильными трубами, а в нижней части - с долотом, силовые цилиндры, в которых размещены упомянутые поршни, гидравлический якорь с корпусом, установленным на шпинделе с возможностью вращения и образующим с ним гидравлическую камеру и с выдвижными опорными элементами и управляющий золотник с пружинными защелками в нижней части для взаимодействия с фиксирующим уступом на шпинделе, отличающееся тем, что каналы в стенке шпинделя выполнены в виде радиальных отверстий, при этом шпиндель выполнен составным из двух частей, связанных между собой шлицевым соединением, причем внутри верхней его части образованы упомянутые силовые цилиндры, а на нижней расположены поршни, при этом корпус гидравлического якоря установлен на верхней части шпинделя выше силовых цилиндров и снабжен отверстиями с насадками, соединяющими гидравлическую камеру с затрубным пространством, а над силовыми цилиндрами внутри верхней части шпинделя выполнена расточка и расположен фиксирующий уступ, причем управляющий золотник выполнен в виде размещенной в упомянутой расточке и подпружиненной относительно верхней части шпинделя ступенчатой втулки с радиальными отверстиями, в крайнем верхнем положении втулки совпадающими с радиальными отверстиями в шпинделе, ведущими в гидравлическую камеру якоря, а нижняя часть шпинделя имеет над поршнями хвостовик с проточкой на его наружной поверхности с длиной, равной величине рабочего хода поршней, в которой с возможностью взаимодействия с нижними частями пружинных защелок управляющего золотника размещено подвижное в осевом направлении стопорное кольцо.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ступенчатая втулка выполнена таким образом, что образует дифференциальный поршень, при этом надпоршневая полость радиальными отверстиями в стенке втулки соединена с внутренней полостью шпинделя, а подпоршневая полость радиальными отверстиями в стенке шпинделя - с затрубным пространством.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в корпусе якоря, соединяющие гидравлическую камеру с затрубным пространством, расположены на уровне нижней стенки гидравлической камеры.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в гидравлической камере над отверстиями размещен кольцевой разделительный поршень, выделяющий в ней в области выдвижных опорных элементов замкнутый объем, заполненный жидкостью.

5. Устройство по пп.1 и 3., отличающееся тем, что отверстия с насадками в корпусе гидравлического якоря направлены вверх под острым углом к оси устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике и технологии бурения скважин, в частности к устройствам для создания на забое скважины заданной регулируемой сосредоточенной сжимающей нагрузки.

Известно устройство для создания осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, содержащее корпус с расположенными в его верхней части выдвижными опорными элементами и выполненным в его нижней части цилиндром и расположенный в цилиндре поршень со штоком, снабженным средствами для связи его с породоразрушающим инструментом (1).

Данное устройство имеет ограниченную область применения, так как может работать только с забойным двигателем, поскольку после опоры якоря (выдвижных опорных элементов) на стенки скважины невозможно передать крутящий момент от бурильных труб нижерасположенному оборудованию. По этой же причине невозможна проработка отдельных участков ствола при спуске оборудования в скважину. Необходимость прекращения циркуляции промывочной жидкости при перезарядке устройства отрицательно сказывается на показателях бурения и может привести к зашламованию бурового инструмента в скважине. Кроме того, наличие только одного поршня с протяженной уплотнительной поверхностью ограничивает величину создаваемой устройством осевой нагрузки и ведет к передаче вибрации, продольных и крутильных колебаний на якорь. Это снижает надежность сцепления опорных элементов со стенками скважины и может привести к разрушению ствола скважины в месте опоры.

Указанные недостатки устранены в забойном механизме подачи долота, включающем распорный узел с корпусом и раздвижными упорами, полый вал, установленный в корпусе с возможностью вращения и снабженный средствами соединения его с вышерасположенной колонной труб, и подающий узел, содержащий связанный с полым валом цилиндр, размещенные в цилиндре дифференциальные силовые поршни с полым штоком, удерживаемым от поворота относительно цилиндра шлицевым соединением и снабженным средствами для присоединения долота, и управляющий клапан с насадкой в центральном канале устройства (2).

Однако отсутствие в данном механизме полнопроходного внутреннего канала, который перекрыт здесь насадкой управляющего клапана, является причиной повышенных гидравлических сопротивлений, ухудшения условий очистки призабойной зоны скважины и делает невозможным спуск приборов через устройство. При бурении наклонных и горизонтальных скважин возврат раздвижных упоров распорного узла затруднен или оказывается невозможным вследствие зависания на стенках скважины цилиндра подающего узла.

Перечисленных недостатков не имеет устройство для создания осевой нагрузки на долото, включающее полый шпиндель с поршнями на его наружной поверхности и каналами в стенке, снабженный средствами соединения его с бурильными трубами и долотом, и установленный на шпинделе с возможностью вращения корпус, в котором выполнены силовые цилиндры, в которых размещены упомянутые поршни, гидравлический якорь с гидравлической камерой, образованной между этим корпусом и шпинделем, и с выдвижными опорными элементами, и полость, в которой размещены управляющий золотник с пружинными защелками снизу и сверху, которые могут взаимодействовать с ответными фиксирующими уступами на шпинделе, и переключающая втулка, подвижно установленная на шпинделе и связанная с управляющим золотником слоем упругого материала (3).

Однако из-за размещения управляющего золотника в полости между корпусом и шпинделем и обусловленного этим выполнения гидравлических соединений в виде длинных и узких осевых каналов в стенке шпинделя значительно усложняется изготовление этого устройства, так как получение таких каналов в тонкостенном шпинделе представляет большую трудность, и снижается надежность его работы, поскольку такие каналы легко забиваются.

Кроме того, при периодических перестановках устройства в гидравлическую камеру якоря последовательно поступают новые порции промывочной жидкости, что приводит к накоплению там грязи и снижению надежности работы устройства.

Наконец, использование для переключения управляющего золотника слоя эластичного материала с его трудновыполнимыми и малонадежными соединениями с золотником и переключающей втулкой также отрицательно сказывается на надежности работы устройства.

Изобретение решает задачу разработки устройства для создания осевой нагрузки на долото, которое при сохранении преимуществ известного устройства было бы проще в изготовлении и надежнее в работе.

Для этого в устройстве для создания осевой нагрузки на долото, включающем полый шпиндель с поршнями на его наружной поверхности и каналами в стенке, снабженный в верхней части средствами для соединения его с бурильными трубами, а в нижней части - с долотом, силовые цилиндры, в которых размещены упомянутые поршни, гидравлический якорь с корпусом, установленным на шпинделе с возможностью вращения и образующим с ним гидравлическую камеру, с выдвижными опорными элементами, и управляющий золотник с пружинными защелками в нижней части, взаимодействующими с фиксирующим уступом на шпинделе, каналы в стенке шпинделя выполнены в виде радиальных отверстий, при этом шпиндель выполнен составным из двух частей, связанных между собой шлицевым соединением, причем внутри верхней его части образованы упомянутые силовые цилиндры, а на нижней расположены поршни, корпус гидравлического якоря установлен на верхней части шпинделя выше силовых цилиндров и снабжен отверстиями с насадками, соединяющими гидравлическую камеру с затрубным пространством, над силовыми цилиндрами внутри верхней части шпинделя выполнена расточка и расположен фиксирующий уступ, управляющий золотник выполнен в виде размещенной в упомянутой расточке и подпружиненной относительно верхней части шпинделя ступенчатой втулки с радиальными отверстиями, в крайнем верхнем положении втулки, совпадающими с радиальными отверстиями в шпинделе, ведущими в гидравлическую камеру якоря, а нижняя часть шпинделя имеет над поршнями хвостовик с проточкой на его наружной поверхности длиной, равной величине рабочего хода поршней, в которой с возможностью взаимодействия с нижними частями пружинных защелок управляющего золотника размещено подвижное в осевом направлении стопорное кольцо.

Кроме этого, отверстия в корпусе якоря, соединяющие гидравлическую камеру с затрубным пространством, расположены на уровне нижней стенки гидравлической камеры. В гидравлической камере над соединительными отверстиями размещен кольцевой разделительный поршень, выделяющий в ней в области расположения выдвижных опорных элементов замкнутый объем, заполненный жидкостью.

Наконец, ступенчатая втулка, служащая управляющим золотником, выполнена таким образом, что образует дифференциальный поршень, при этом надпоршневая полость отверстиями в стенке втулки соединена с внутренней полостью шпинделя, а подпоршневая полость отверстиями в стенке шпинделя - с затрубным пространством.

Выполнение управляющего золотника в виде ступенчатой втулки с радиальными отверстиями и расположение его в расточке внутри шпинделя, соединение гидравлической камеры якоря посредством снабженных насадками отверстий в корпусе с затрубным пространством вместе с особенностями выполнения цилиндропоршневой группы и элементов переключения и фиксации положения управляющего золотника позволяет исключить из конструкции устройства длинные узкие осевые каналы и выполнить гидравлические соединения с помощью радиальных отверстий, а также устранить такое звено средств переключения золотника, как слой эластичного материала с его малонадежными и трудновыполнимыми соединениями и использовать для перестановки золотника обычную спиральную механическую пружину. В результате упрощается изготовление устройства и повышается надежность его работы, так как выполнить короткие радиальные отверстия не представляет труда, и они практически на забиваются, а спиральные пружины относятся к числу надежных конструктивных элементов, технология изготовления которых отработана. При этом выполнением ступенчатой втулки в виде дифференциального поршня достигается усиление и дублирование действия пружины, что обеспечивает дополнительное повышение надежности работы устройства.

Расположением отверстий, соединяющих гидравлическую камеру с затрубным пространством, обеспечивается ее промывка и предотвращается отложение грязи, что также способствует повышению надежности работы устройства. Создание в гидравлической камере якоря с помощью разделительного поршня замкнутого объема позволяет заполнить последний жидкостью, обладающей хорошими смазочными и антифрикционными свойствами, и таким образом улучшить условия работы уплотнений, уменьшить износ деталей, а также предотвратить попадание в якорное устройство грязи и в итоге дополнительно повысить надежность работы устройства.

На фиг. 1 показано устройство для создания осевой нагрузки на долото, продольный разрез, в положении его рабочих органов при спуско-подъемных операциях, промывке, проработке ствола скважины и запуске турбобура; на фиг. 2 - то же, после опоры на забой скважины, опоры выдвижных элементов на стенки и начала бурения; на фиг. 3 - то же, в конце рабочего хода поршней.

Устройство для создания осевой нагрузки на долото включает полый телескопический шпиндель, выполненный составным из двух частей 1 и 2, связанных между собой шлицевым соединением (элементы которого обозначены соответственно поз. 3 и 4), удерживающим их от взаимного поворота. Сверху и снизу шпиндель имеет средства для соединения его соответственно с бурильными трубами и долотом (не показаны), выполненные, например, в виде резьбовых участков 5 и 6. Внутри верхней части шпинделя 1 образованы силовые цилиндры 7, в которых размещены выполненные на наружной поверхности нижней части шпинделя 2 поршни 8. Надпоршневые полости цилиндров радиальными отверстиями 9 в стенке шпинделя соединены с внутренней полостью шпинделя, а подпоршневая полость верхнего цилиндра радиальными отверстиями 10 - с затрубным пространством (выполнять такие соединительные отверстия для подпоршневой полости нижнего цилиндра не требуется, так как связь с затрубным пространством обеспечивается через зазоры в шлицевом соединении частей шпинделя). В рассматриваемом варианте исполнения устройство имеет два силовых цилиндра и два поршня, хотя очевидно, что в зависимости от величины осевой нагрузки, которую должно обеспечивать устройство, их число может быть иным. Выше силовых цилиндров 7 верхняя часть шпинделя 1 на наружной поверхности имеет проточку, в которой на подшипнике с возможностью вращения относительно шпинделя установлен корпус 11 гидравлического якоря (в целом не обозначен), образующий со шпинделем гидравлическую камеру 12 и имеющий радиальные отверстия, в которых размещены выдвижные опорные элементы 13 со сферической рабочей поверхностью. Для связи гидравлической камеры 12 с внутренней полостью шпинделя и с затрубным пространством в стенке шпинделя 1 и в корпусе 11 на уровне нижней стенки камеры выполнены соответственно радиальные отверстия 14 и направленные вверх под острым углом к оси устройства отверстия 15, снабженные насадками 16. Выше этих отверстий в гидравлической камере 12 размещен кольцевой разделительный поршень 17, выделяющий в ней в области выдвижных опорных элементов 13 замкнутый объем, заполненный жидкостью преимущественно с хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами, например маслом МС-20. Внутри верхней части шпинделя 1 над силовыми цилиндрами 7 выполнена расточка, в которой размещен управляющий золотник 18, выполненный в виде ступенчатой втулки с радиальными отверстиями 19, которые в крайнем верхнем положении золотника совпадают с радиальными отверстиями 14 в шпинделе, ведущими в гидравлическую камеру 12 якоря. Ступенчатая втулка подпружинена относительно верхней части шпинделя 1, для чего между ними в расточке шпинделя 1 размещена спиральная пружина 20. В нижней части ступенчатая втулка снабжена пружинными защелками 21, которые могут взаимодействовать с фиксирующим уступом 22, выполненным внутри верхней части шпинделя 1 над силовыми цилиндрами 7. Ступенчатая втулка преимущественно выполнена таким образом, что образует дифференциальный поршень, при этом надпоршневая полость радиальными отверстиями 23 в стенке втулки соединена с внутренней полостью шпинделя, а подпоршневая полость радиальными отверстиями 24 в стенке шпинделя - с затрубным пространством. Нижняя часть шпинделя 2 над поршнями 8 имеет хвостовик 25 с проточкой на его наружной поверхности с длиной, равной величине рабочего хода поршней, в которой с возможностью взаимодействия с нижними частями пружинных защелок 21 управляющего золотника 18 размещено подвижное в осевом направлении стопорное кольцо 26.

Работа устройства для создания осевой нагрузки на долото осуществляется следующим образом.

Спуск устройства в скважину осуществляется на бурильных трубах, соединенных с верхней частью шпинделя 1, при этом к нижней части шпинделя 2 присоединен забойный двигатель (турбобур) с долотом. При спуске нижняя часть шпинделя 2 с поршнями 8 под действием собственного веса и веса присоединенных элементов компоновки низа бурильной колонны находится в нижнем положении, управляющий золотник 18 пружиной 20 также смещен в нижнее положение, так что радиальные отверстия 14, ведущие в гидравлическую камеру 12 якоря, разобщены от внутренней полости шпинделя и выдвижные опорные элементы 13 не выступают за габариты якоря и находятся в транспортном положении (фиг. 1). При таком положении рабочих органов устройства от устья скважины к долоту можно передавать осевые нагрузки и крутящий момент, осуществлять промывку и проработку отдельных участков ствола скважины, производить запуск забойного двигателя (турбобура).

После окончания спуска и опоры долота на забой нижняя часть шпинделя 2 с поршнями 8 становится неподвижной по отношению к забою скважины и верхняя часть шпинделя 1 с якорем и бурильными трубами смещаются вниз относительно неподвижной нижней части шпинделя 2 на величину хода поршней 8 в силовых цилиндрах 7. Это действие регистрируется на поверхности по индикатору веса, показания которого вначале уменьшаются, а затем стабилизируются при перемещении компоновки бурильных труб на расстояние, соответствующее ходу поршней. В процессе этого движения стопорное кольцо 26 взаимодействует с нижними частями пружинных защелок 21, которые в конце хода зацепляются за фиксирующий уступ 22 на внутренней поверхности верхней части шпинделя 1 и стопорятся в этом положении стопорным кольцом 26. Управляющий золотник 18 при этом располагается так, что его радиальные отверстия 19 совмещаются с радиальными отверстиями 14, ведущими в гидравлическую камеру 12 якоря. Давление во внутренней полости устройства, превышающее затрубное на величину перепада давления в турбобуре и насадках долота, воздействует на нижнюю поверхность разделительного поршня 17, перемещает его вверх и передает избыточное давление на внутренние торцовые поверхности выдвижных опорных элементов 13. Под действием возникшего усилия эти элементы выдвигаются и фиксируют корпус 11 якоря от перемещений относительно стенок скважины (фиг. 2).

Поршни 8 также оказываются под действием разности давления во внутренней полости устройства и затрубном пространстве, так как надпоршневые и подпоршневые полости силовых цилиндров 7 связаны с ними соответственно радиальными отверстиями 9 и 10 и через зазоры в шлицевом соединении верхней и нижней частей шпинделя 1 и 2. В результате нижняя часть шпинделя 2 нагружена механическим усилием, которое передается долоту. В процессе бурения через выполненные в корпусе 11 якоря отверстия 15 происходит истечение жидкости, в результате чего обеспечивается промывка нижней части гидравлической камеры 12 и предотвращается накопление здесь грязи. Разделительный поршень 17 предотвращает попадание твердых и абразивных частиц, содержащихся в промывочной жидкости, в замкнутый объем, выделенный им в верхней части гидравлической камеры 12 в области расположения выдвижных опорных элементов 13. Этим обеспечивается надежная работа гидравлического якоря, а значит и устройства в целом. При заполнении замкнутого объема гидравлической камеры 12 специальной жидкостью с хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами достигается усиление указанного эффекта, так как при этом улучшаются условия работы уплотнений и уменьшается износ деталей якоря. Благодаря тому, что отверстия 15 направлены под острым углом вверх и снабжены насадками 16, при истечении жидкости через них в результате эжекции уменьшается репрессия на пласты в призабойной зоне. Это создает более благоприятные условия для разрушения горных пород, улучшает очистку забоя скважины и повышает механическую скорость бурения.

На поверхности показания индикатора веса остаются неизмененными в течение рабочего хода поршней 8 со связанной с ними нижней частью шпинделя 2, которая по мере углубления забоя выдвигается из силовых цилиндров 7. В конце хода поршней 8 верхний бурт проточки на хвостовике 25 входит в соприкосновение со стопорным кольцом 26 (фиг. 3) и сдвигает его подпружинные защелки 21. Постоянно действующая на управляющий золотник 18 нагрузка, определяемая действием пружины 20 и разности давлений в надпоршневой и подпоршневой полостях, связанных через радиальные отверстия 23 и 24 соответственно с внутренней полостью устройства и с затрубным пространством, выводит пружинные защелки 21 из зацепления с фиксирующим уступом 22. В результате управляющий золотник 18 смещается вниз, так как выступы пружинных защелок 21 легко передвигаются по гладкой внутренней поверхности верхней части шпинделя 1. Радиальные отверстия 14 якоря разобщаются от внутренней полости устройства, истечение жидкости через насадки 16 прекращается и через них происходит выравнивание давления под разделительным поршнем 17 с давлением в затрубном пространстве. Разделительный поршень 17 возвращается в первоначальное положение, снижая до нуля избыточное давление в полости над ним. Выдвижные опорные элементы 13 переходят в транспортное положение, после чего все рабочие органы устройства находятся в исходном положении, показанном на фиг. 1. Гарантированный возврат выдвижных опорных элементов 13 обеспечивается механическими пружинами (не показаны) и сферической формой их опорных торцовых поверхностей, благодаря чему исключается возможность зависания их на стенках скважины.

Момент освобождения корпуса якоря регистрируется на поверхности по увеличению нагрузки и росту давления в нагревательной линии на 0,5 - 0,7 МПа. После этого бурильный инструмент опускают на расстояние, соответствующее свободному ходу поршней. На индикаторе восстанавливается предыдущая нагрузка и весь процесс работы повторяется в приведенной последовательности.

Наличие в данном устройстве полнопроходного внутреннего канала и гарантированный возраст выдвижных опорных элементов обеспечивают сохранение в нем преимуществ известного устройства. А исключение длинных и узких осевых каналов, которые легко забиваются, и устранение такого звена средств переключения золотника, как слой эластичного материала с его трудновыполнимыми и малонадежными соединениями, упрощают его изготовление и повышают надежность работы. Последнему способствуют также дублирование средств возврата управляющего золотника в исходное положение (пружина и использование гидравлического давления путем выполнения управляющего золотника в виде дифференциального поршня), обеспечение промывки гидравлической камеры якоря и предотвращение накопления в ней грязи за счет расположения соединительных каналов в корпусе якоря на уровне нижней стенки камеры и улучшение условий работы элементов якоря путем образования в гидравлической камере с помощью разделительного поршня замкнутого объема и заполнения его жидкостью с хорошими смазочными и антикоррозионными средствами. Кроме того, благодаря направлению отверстий с насадками в корпусе якоря вверх под острым углом к оси устройства достигается улучшение очистки забоя скважины и повышение механической скорости бурения.